活性炭纖維吸附去除甲苯綜合性實驗

銀玉容, 施召才

(華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院, 廣東 廣州　510006)

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活性炭纖維吸附去除甲苯綜合性實驗

銀玉容, 施召才

(華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院, 廣東 廣州510006)

選用市售的2種活性炭纖維樣品作為吸附劑,在模擬甲苯廢氣環(huán)境中進行了甲苯吸附實驗。結(jié)果表明:4.998 8 g活性炭纖維1#在甲苯的進氣質(zhì)量濃度為6 079 mg/m3時,吸附達到平衡的時間為40 min,甲苯吸附容量為41.85 mg/g；1.703 5 g活性炭纖維2#在甲苯的進氣質(zhì)量濃度為2 718 mg/m3時,吸附達到平衡的時間為20 min,甲苯吸附容量為30.90 mg/g。該實驗涉及到實驗裝置的調(diào)校、氣相色譜儀的使用和表面吸附理論,而且針對生活中的環(huán)境問題,能激發(fā)學(xué)生的實驗興趣,可作為環(huán)境類專業(yè)的綜合實驗,鞏固學(xué)生的理論知識,培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力和創(chuàng)新能力。

綜合性實驗； 活性炭纖維； 吸附甲苯

實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐創(chuàng)新能力的重要途徑。為改變綜合性、設(shè)計性實驗所占比例偏低、提高學(xué)生對專業(yè)實驗的興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)素養(yǎng),開發(fā)了綜合性實驗——活性炭纖維對甲苯的吸附研究。環(huán)境污染加劇對生態(tài)平衡、人類健康和社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展構(gòu)成了嚴重威脅,環(huán)境凈化受到全世界的廣泛重視。室內(nèi)空氣中存在多種揮發(fā)性有機物(VOCs),危害人體健康,室內(nèi)空氣的污染源主要有甲醛、苯、甲苯等揮發(fā)性有機污染物。目前,針對這類污染物使用的處理方法有吸附、生物處理、化學(xué)處理、催化氧化、相轉(zhuǎn)移和光催化降解等方法。其中,吸附和催化降解被認為是消除這些污染物最有效的方法之一[1-12]。吸附法具有脫除效率高、富集功能強、不易造成二次污染等優(yōu)點,是近年來治理VOCs的主要方法[13-15]。

活性炭纖維(ACF,activated carbon fiber ) 是20世紀70年代初在炭纖維的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型吸附功能材料,是繼粉狀、粒狀活性炭后的第三代活性炭吸附材料,呈纖維狀,纖維絲直徑細、微孔結(jié)構(gòu)發(fā)達、比表面積和吸附容量大、大量微孔開口在纖維絲表面,由于在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢使得它具有優(yōu)良的吸附性能,擁有比常規(guī)活性炭更大的比表面積和更快的吸附/脫附速率,從而成為環(huán)境保護中一種新型優(yōu)良吸附劑,現(xiàn)已廣泛用于氣體分離和廢水處理等方面[16-17]。

1　實驗裝置

實驗裝置見圖1，由氣體發(fā)生、氣體吸附和尾氣處理3個部分組成。空氣由空氣鋼瓶進入管路,經(jīng)過緩沖瓶后進入甲苯液瓶中,帶動甲苯分子的揮發(fā)并經(jīng)質(zhì)量流量計后進入活性炭纖維吸附柱進行吸附,對吸附前后的氣體取樣，并用氣相色譜分析儀進行分析。實驗在常溫常壓條件下進行。

圖1　實驗裝置圖

2　實驗儀器與試劑

實驗儀器:天美GC7890Ⅱ氣相色譜儀。

材料與試劑:甲苯(色譜純)、經(jīng)硝酸-微波改性加工包裹無紡布的活性炭纖維(市售,編號為1#)、普通活性炭纖維(市售,編號為2#)氣相色譜進樣針、100 mL玻璃針筒等。

3　實驗方法

(1) 標準曲線的繪制。用氣相色譜進樣針分別取0.1、0.2、0.5、0.8、1.0 μL甲苯,注入到100 mL的玻璃針筒中,調(diào)節(jié)體積至100 mL,用風筒加熱針筒外壁,使甲苯氣化,再由氣相色譜分析儀測定峰面積,檢測器為火焰離子化檢測(FID)。氣相色譜條件:柱室溫度為80 ℃；氣化室溫度為150 ℃；檢測室溫度為180 ℃；載氣流量 (氮氣 ) 為400 mL/min ；無分流 。

(2) 活性炭纖維吸附甲苯實驗。將活性炭纖維剪成直徑7 cm的圓片,稱量,然后放6片活性炭纖維片到吸附柱中,調(diào)節(jié)空氣流量3 L/min,甲苯空氣混合氣流量3 150 mL/min,在進氣取樣口用玻璃針筒取樣,用氣相色譜儀測定其甲苯的濃度。每隔一定時間,在出氣取樣口取樣測定甲苯濃度。并由下式計算甲苯的吸附去除率η:

式中ci、co分別為進出口甲苯質(zhì)量濃度(mg /m3) 。

4　結(jié)果與討論

4.1標準曲線

用氣相色譜分析儀測定甲苯標準氣體質(zhì)量濃度,畫出標準曲線見圖1。此標準曲線的方程見式(1)，該線性方程的回歸系數(shù)R，R2=0.991 。

y=20.279x -2779.8

(1)

式中:x為甲苯標準氣體質(zhì)量濃度(mg/m3),y為色譜出峰面積。

圖1　甲苯濃度標準曲線

4.2活性炭纖維1#吸附甲苯實驗

裝置中裝載活性炭纖維1#時,出口甲苯質(zhì)量濃度c隨時間t的變化曲線見圖2。開始吸附前,進氣的甲苯質(zhì)量濃度為6 079 mg/m3(吸附裝置調(diào)校好，并穩(wěn)定一段時間后,在進氣取樣口取樣3次,測定甲苯濃度,取平均值作為進氣濃度),氣體流速為3 150 mL/min,載氣為干燥空氣。由圖2可知,活性炭纖維1#的表面具有良好的吸附效果,持續(xù)通入6 079 mg/m3的甲苯,甲苯的出口濃度很低；18 min后,甲苯的出口濃度開始增大,吸附40 min后,甲苯在活性炭纖維表面逐漸達到吸附平衡。6片7 cm的活性炭纖維(總質(zhì)量為4.998 8 g)吸附40 min達到平衡時吸附的甲苯總量為209.212 mg,按活性炭纖維的質(zhì)量計算的甲苯吸附容量為41.85 mg/g,按活性炭纖維的面積計算的甲苯吸附容量為0.91 mg/cm2。

圖3為裝置中裝載活性炭纖維1#時,甲苯的去除率r隨時間t的變化曲線。由圖3可知,吸附初始階段,活性炭纖維的吸附效果很好,在前15 min,通入的甲苯95%以上被活性炭纖維吸附,隨著吸附的進行,活性炭纖維表面的吸附能力逐漸下降,甲苯的去除率下降,至40 min時,吸附到達平衡,活性炭纖維的表面吸附達到飽和,甲苯的出口濃度與進口濃度接近。

圖2　活性炭纖維1#對甲苯的吸附曲線

圖3　活性炭纖維1#對甲苯的去除率隨時間的變化曲線

4.3活性炭纖維2#吸附甲苯實驗

裝置中裝載活性炭纖維2#時,甲苯出口濃度隨時間的變化曲線見圖4。開始吸附前,甲苯的進氣質(zhì)量濃度為2 718 mg/m3(吸附裝置調(diào)校好并穩(wěn)定一段時間后,在進氣取樣口取樣3次,測定甲苯濃度,取平均值作為進氣濃度),氣體流速為3 150 mL/min,載氣為干燥空氣。由圖4可知,活性炭纖維2#的表面吸附能力比1#差,持續(xù)通入2 718 mg/m3的甲苯,在前4 min,88%的甲苯被活性炭纖維2#吸附；隨后,吸附能力迅速下降,吸附20 min后,甲苯在活性炭纖維2#的表面逐漸達到吸附平衡。6片7 cm的活性炭纖維(總質(zhì)量1.703 5 g)吸附20 min達到平衡時,吸附的甲苯總量為52.64 mg,按活性炭纖維的質(zhì)量計算的甲苯吸附容量為30.90 mg/g,按活性炭纖維的面積計算的甲苯吸附容量為0.23 mg/cm2。

圖5為裝置中裝載活性炭纖維2#時,甲苯的去除率隨時間的變化曲線。由圖5可知,吸附初始階段,活性炭纖維的吸附效果很好,在通入甲苯的前4 min,88%的甲苯被活性炭纖維2#吸附;隨著吸附的進行,活性炭纖維表面的吸附能力迅速下降,甲苯的去除率快速下降,至20 min時,吸附到達平衡,活性炭纖維的表面吸附達到飽和,甲苯的出口濃度與進口濃度接近。

圖4　活性炭纖維2#對甲苯的吸附曲線

圖5　活性炭纖維2#對甲苯的去除率隨時間的變化曲線

5　結(jié)論

(1) 活性炭纖維對甲苯有較好的吸附作用,達到吸附平衡的時間較短,活性炭纖維1#為40 min,活性炭纖維2#為20 min,活性炭纖維1#對甲苯吸附容量為41.85 mg/g,活性炭纖維2#對甲苯吸附容量為30.90 mg/g。

(2) 活性炭纖維1#的吸附性能優(yōu)于活性炭纖維2#,活性炭纖維的表面化學(xué)結(jié)構(gòu)和孔隙結(jié)構(gòu)是影響其吸附能力的重要因素,活性炭纖維1#經(jīng)過改性壓實并包裹無紡布,改變了活性炭纖維的孔隙結(jié)構(gòu),甲苯穿過活性炭纖維的時間更長,更容易被活性炭纖維吸附,提高了其吸附性能。

References)

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Comprehensive experiment of adsorption of toluene on activated carbon fiber

Yin Yurong, Shi Zhaocai

(College of Environment and Energy,South China University of Technology,Guangzhou 510006, China)

Two kinds of activated carbon fiber bought from market were used as adsorptive. The toluene adsorption experiments were carried out in the environment of simulating toluene. The result showed that equilibrium adsorption was established within 40 min,the adsorption capacity reached 41.85mg/g when the initial toluene concentration was 6079mg/m3and the weight of activated carbon fiber 1# was 4.9988g. For activated carbon fiber 2#,equilibrium adsorption time was 20min,and the adsorption capacity was 30.90mg/g,when the initial toluene concentration was 2718mg/m3and the weight of activated carbon fiber was 1.7035g. This experiment involves equipment adjusting,gas chromatograph using and theories of surface adsorption, and aiming at environmental problem in life,it can be used as a comprehensive experiment for students being in environment major,which is beneficial to strengthen students’ theoretical knowledge and improve their practical and innovative ability.

comprehensive experiment; activated carbon fiber; adsorption of toluene

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.06.009

2015-12-26

華南理工大學(xué)教學(xué)改革項目( x2hj-Y1151180)

銀玉容(1968—),女,湖南邵陽,博士,高級實驗師,從事實驗教學(xué)和實驗室的建設(shè)與管理工作

E-mail:ppyryin@scut.edu.cn

X511；G642.0

B

1002-4956(2016)6-0028-03

實驗技術(shù)與方法